電容ESR表要點(diǎn)

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1、電容ESR表 電容ESR表的特點(diǎn)、測(cè)量原理、電路分析 作者薛國(guó)雄來源《無線電》雜志瀏覽3449發(fā)布時(shí)間 2011-01-11 這個(gè)專題起源于筆者偶然得到的信息。在完成所譯《音頻功率放大器設(shè)計(jì)手冊(cè)》 一書的勘誤工作后，筆者因需在網(wǎng)上查閱美國(guó)Tektronix公司的示波器資料，看 到外國(guó)論壇有位網(wǎng)友在介紹維修經(jīng)驗(yàn)時(shí)， 大力推薦電容ESR表，稱其為電子愛好 者的強(qiáng)力工具，對(duì)檢測(cè)電器幫助極大，故而引發(fā)了筆者的興趣。經(jīng)過一段時(shí)間的 揣摩、研究、設(shè)計(jì)、制作及試用，結(jié)合本人以往的經(jīng)驗(yàn)，確認(rèn)此君所言非虛。這 種電容ESRft確實(shí)是檢修電子設(shè)備、排除電路故障的強(qiáng)力工具和十分有用的好幫 手。獨(dú)樂樂不如眾樂

2、樂，根據(jù)本人掌握的知識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)制作，在此對(duì)電容 ESR 表作全面介紹，以期能給廣大電子愛好者提供有益的幫助，推動(dòng)這一新型工具的 普及應(yīng)用。 1電容ESR表的特點(diǎn) 可能不少人都沒聽說過這種表。筆者以前也僅知道，專業(yè)儀器的LCR電橋可以測(cè) 量電容的ESR何為ESR測(cè)量電容的ESRt什么用？相信很多讀者心中會(huì)有這 樣的疑問。為此，先進(jìn)行簡(jiǎn)單的背景知識(shí)介紹。 一、背景知識(shí)介紹 1 .電容的ESR ESR英語Equivalent Series Resistance 的縮寫，意為等效用聯(lián)電阻。自身 不會(huì)產(chǎn)生任何能量損耗的完美電容只存在于理論， 實(shí)際的電容總是存在著一些缺 陷。這個(gè)損耗，在

3、外部的表現(xiàn)就像一個(gè)電阻跟電容串聯(lián)在一起。另一方面，由于 引線、卷繞等物理結(jié)構(gòu)因素，電容內(nèi)部還存在著電感成分。因此，實(shí)際電容的等 效模型可以表示為圖1所示的模式。其中電容C為理想電容，R為等效用聯(lián)電阻， 即ESR L為等效用聯(lián)電感，即ESL引入ES旺口 ESL,使得模型更接近于電容在 電路中的實(shí)際表現(xiàn)。 圖1實(shí)際電容的等效模型 00 o —II—理想電容 一/"**"^~||—1—1—實(shí)際電容 -*7—2—"s;或」r -Ti.-:?F --F4-Q*- ■ - FT, ! ? — V t 9-1 !■, ■ ■ a||j I | ■ 1i ■ r* [in di

4、1 ..a . - J: ■ ■ a ■ J L* ai ■ o o o 1 (C!E)媽w弗日 -r小 T 小，<>*, ;?,l:?:Q:曲. 0.00 0.01 laMiirB^rira^i ■ i ^ i,i | ra |「i 0.10 1.00 f(Hz) 圖2實(shí)際電容與理想電容的差別。斜直線為理想電容的阻抗曲線, 是實(shí)際電容的阻抗曲線。 呈 V字形的 100k 10k 1k 1000pF a)葬四 DD 10 0 01 下：.：.中r nrrtT ?■，r|3 q，[! !ji 中步■，■，，H，■，1 ] I i Hi i mm

5、 iTrm -iHtf 0.001 o 01 0/1 1 10 wo iik 10k f(MHz) 圖3不同容量電容的阻抗特性曲線 ESR勺存在，令電容的行為表現(xiàn)背離其原來的定義。比如說，理論上“電容兩端 的電壓不能突變”，但實(shí)際上，ESR1會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，與突然施加的電流大 小有關(guān)，令 電容不再遵循理論規(guī)律。又如，電容會(huì)因 ESR1的功耗而產(chǎn)生內(nèi)部 發(fā)熱。筆者曾將兩只早期生產(chǎn)的10 pF/ 16V高ESR電解電容，正常地接到微型 計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的5V輸出兩端。由于此處高頻脈動(dòng)電壓較大，電容內(nèi)部損耗產(chǎn) 生的熱量加熱內(nèi)部氣體，發(fā)出“吱吱”之聲，竟在幾秒內(nèi)導(dǎo)致電容炸開，前后兩

6、 次均是如此。 圖2、圖3顯示了電容的實(shí)際阻抗特性。由于 ESRO及ESL帶來的影響，當(dāng)頻率 上升到一定程度，即到了高頻區(qū)，電容的阻抗不再遵從理論上的規(guī)律隨頻率的升 高而降低。在圖2中的低頻段，電容的容抗在起主要作用，基本上還遵從理想電 容的規(guī)律。在中間頻率段，本應(yīng)是 ESL與C共同諧振而呈現(xiàn)阻抗深谷，但有 ESR 的存在，改變了曲線的走向，換言之， ESRft這里起主要作用。在高頻區(qū)，則 是ESL在起主要作用。 ESR 1.000 0.001 100 1 000 10 000 100 000 1000 000 10 000 000 f(Hz) 所 7a-Polymer

7、(Y2206) -a- Ta-MnO2 (Y220/6) — NbO-MnO2 (D220/6) -e- Ta-MnO2 (D220/10, multi) a- MLCCX5R (2x100/4) —AIEI (220/16) 圖4不同材質(zhì)電容隨頻率變化的 ESR曲線。圖中方框（順序?yàn)楣庾笥?、后上下）列出了所測(cè)電容 的品種和規(guī)格，200/6 表示200d F/6V ,以此類推。第1、2、4種為不同的鋰電解電容，其中第 1種為聚合物固態(tài)鋰電解電容。第 2種為較常見的二氧化鎰固態(tài)鋰電解電容，第 4種為多層結(jié)構(gòu)的 二氧化鎰固態(tài)鋰電解電容。第 3種為二氧化鎰固態(tài)鋰電解電容。第 5種為MLC

8、C即多層陶瓷電容， 兩只10 0〃/4V并聯(lián)。第6種為低ESR鋁電解電容。 溫度25 C 100 10 E-F ;辦vfer. 七心學(xué):7? :s:T?一4? LIZL-rL-;-一 =:4 ?:牙?- :小 工. 3UQ r*4T!2E"-- 0.01 100 1k 10k 100k 1M 10M f(Hz) 圖5普通電解電容與低 ESR電解電容的ESR曲線。上方曲線顯示，普通電解電容在較大的頻率范 圍內(nèi)其ESR值變化并不大。 電容ESR的大小跟電容的制造有關(guān)。材質(zhì)不同， ESR有區(qū)別。材質(zhì)相同，則容量越大， ESR越小，約跟容量的 開方成反比。同

9、一品種的電容，耐壓越高， ESR往往更低。就材質(zhì)而言，電解電容的 ESR明顯高于薄膜電容。 在電解電容中，鋁電解電容的 ESR又高于鋰電解電容。在薄膜電容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的電容 ESR 較小。一個(gè)對(duì)比例子是，1 聚丙烯電容的ESR為10mQ ,而容量達(dá)1000口 的鋁電解電容，其ESR為0.1 ◎。 2 .電容ESR表 電容ESR表是專用于檢測(cè)電容 ESR值的儀表。這種儀表向被測(cè)電容注入測(cè)試信號(hào)，通過檢測(cè)電路 中的電量變化，作出相應(yīng)的變換后，以數(shù)字顯示屏或指針表頭作為終端，將被測(cè)電容的 ESR值顯示 出來。 因電容本身有隔直作用，所以在測(cè)量時(shí)，電容 ESR表必須要使用交

10、流形式的測(cè)試信號(hào)。這一點(diǎn)與常 見萬用表測(cè)量電阻有顯著的區(qū)別。 從另一個(gè)角度看，電容ESR表測(cè)量的是‘交流”電阻，萬用表測(cè)量 的是直流電阻。 與萬用表一樣，電容 ESR表可以做成數(shù)字式，也可以做成模擬式。對(duì)于模擬式電容 ESR表來說， 使用指針表頭作指示，因此，其電路最終需以直流電流形式來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于數(shù)字式電容 ESR表來 說，由于現(xiàn)在市場(chǎng)上有大量廉價(jià)的數(shù)字萬用表專用 A/D芯片（如ICL7106 ）供應(yīng)，利用這些專用 芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)制作是較為直觀可行的方法。 A/D芯片輸入的是直流電壓，所以，數(shù)字式 ESR表測(cè) 量部分的電路有別于模擬式 ESR表。此外，數(shù)字式電容 ESR表還可

11、以用微處理器（MCUU）作為核心 來實(shí)現(xiàn)，憑借其強(qiáng)大功能取代數(shù)字萬用表專用 A/D芯片，設(shè)計(jì)上更加靈活，電路形式上也迥異于前 述兩種。本文中筆者設(shè)計(jì)制作的電容 ESR表屬于模擬式（指針式）。 3.國(guó)外自制情況 通過網(wǎng)上信息了解到，電容 ESR表明顯并不是儀器儀表大廠的正式產(chǎn)品 一附計(jì)與LCR電橋已集成 了它的功能有密切關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)還沒有電容 ESR表的生產(chǎn)銷售。在國(guó)外，電容 ESR表主要流 行于業(yè)余電子愛好者中，雖然已有微型公司或個(gè)人提供一些套件和成品的銷售，但未成大氣候，仍 是以愛好者自制為主要形式。 筆者曾用“ESR Meter Schematic" （即“ESR表 電路

12、圖”）作為關(guān) 鍵詞在網(wǎng)上搜索，可以找到很多介紹個(gè)人自制電容 ESR表的網(wǎng)頁(yè)，有美國(guó)、德國(guó)、意大利、俄羅斯 等國(guó)家網(wǎng)友的作品或資料，看都看不過來。 圖6國(guó)外以套件或成品推出的電容 ESR表。儀表面板所印的表格是用于幫助判斷電解電容的好壞。 最后一種（圖中該表斜放置）有別于一般的指針表和數(shù)字表形式，是利用 LED來指示ESR值所在 區(qū)間，電路則使用 MCU,可謂是數(shù)字式與模擬式的混合體。 二、電容ESR表的獨(dú)到之處 電容ESR表的作用，用一句話概括，就是用于測(cè)量電容 ESR值，憑此判斷電容（主要是電解電容） 的好與壞、正常與否。其功能雖然單一，但實(shí)用性很強(qiáng)，對(duì)檢

13、修電子設(shè)備帶來莫大的幫助。眾所周 知，電解電容是電子設(shè)備中故障率最高、壽命和可靠性最差的元件之一，而電解電容的壽命在很多 時(shí)候決定了設(shè)備的使用壽命。長(zhǎng)久以來，廣大電子愛好者普遍缺乏一種有效判別電解電容好壞的檢 測(cè)工具。電容ESR表的出現(xiàn)，正好可以填補(bǔ)這一空白。 圖7國(guó)外網(wǎng)友自制的指針式電容 ESR表。其中，右邊的表以 ESR值標(biāo)示刻度，左邊的表以電容好 壞（good與bad ）來標(biāo)示刻度。 由于設(shè)計(jì)上的特殊性，電容 ESR表具備了如下獨(dú)到之處： 1 .鑒別電解電容好壞，判斷準(zhǔn)確率高 從前面的介紹可以知道， ESR是直指電容性能缺陷的參數(shù)。無論是電解電容漏液、干涸這類常見問

14、題，還是電解液失去活性這種隱蔽問題，都可以通過電容 ESR表檢測(cè)出來。套用外國(guó)一位制作者 的話說：可以找出 95%以上有問題的電解電容。他沒說 100%,背后一個(gè)重要原因是，電容 ESR表 （非特殊設(shè)計(jì)的）不能檢出電容兩接點(diǎn)之間存在的短路性故障。幸好，電容出現(xiàn)這種短路性故障的 概率，遠(yuǎn)低于電容自身失效的概率?？v使電容出現(xiàn)短路性故障、又或者與其并聯(lián)的器件出現(xiàn)短路性 故障，電路的外在表現(xiàn)將十分明顯，容易被普通萬用表檢查出來。比如，電容兩端的電壓、直流電 阻遠(yuǎn)低于正常值。 do；- aai88\^ 圖8 LCR電橋照片（非按同一比例拍攝）。后兩種為臺(tái)式，實(shí)物比前兩種的手持式大得多。

15、2 .可在路測(cè)量，無需將元件拆下，大幅提升檢測(cè)效率 筆者所稱的‘在路測(cè)量”，是指不將元件從電路板上拆下、 又不通電時(shí)對(duì)元件進(jìn)行的檢測(cè)。 不少人都 知道，常見的二極管、三極管、電阻等分立元件可以用萬用表進(jìn)行在路檢測(cè)，找出故障元件的成功 率還頗高。而電容卻不行，因?yàn)樾枰涣餍盘?hào)驅(qū)動(dòng)，萬用表對(duì)此無能為力。由于電子設(shè)備普遍都要 使用電解電容，有些設(shè)備的使用量甚至超過一百只。在路測(cè)量所帶來的方便性，使得檢修者能夠從 容應(yīng)對(duì)，大大減輕了工作量，個(gè)中意義殊為重要。 3 .體積小、重量輕、耗電省，攜帶方便，使用簡(jiǎn)單靈活 LCR電橋雖已 電容ESR表用電池供電，可做成便攜式，打開電源開關(guān)即可使用，無需

16、繁瑣的設(shè)置。 具備了電容ESR表的功能，但是售價(jià)高，測(cè)試頻率最高僅 1kHz的低檔國(guó)產(chǎn)LCR電橋售價(jià)也要超 過千元，讓囊中羞澀的愛好者望而卻步。 LCR電橋大多屬于臺(tái)式儀器，體積大、重量重，而且需外 LCR電橋的測(cè)試電平一般是 接市電才能工作，使用時(shí)拖著一條尾巴，讓人覺得處處不便。而手持式 固定的，典型值為 0.3Vrms (即848mVpp )。這樣的電平，已達(dá)到很多半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通閥值， 導(dǎo)致在路測(cè)量的部分結(jié)果變得不可靠。 4 .電路和構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，成本低，容易普及，便于愛好者自制 這種表制作難度不高，有動(dòng)手能力的愛好者，都可以獨(dú)自完成。筆者的電容 ESR表，是利用原來閑 置白

17、MF500指針萬用表進(jìn)行制作，扣除設(shè)計(jì)修改和調(diào)試時(shí)間后， 實(shí)際制作時(shí)間不足一天。 材料方面， 除原有的MF500表外，都是利用手頭常備的元器件，最值錢的是一只 1^F/400V MKP電容，其余 的不值一提。裝在電路板上的新購(gòu)元件，僅運(yùn)放 IC兩塊，花費(fèi)共人民幣 5元。 三、電容ESR表的威力 過去我們檢修電器，檢查電解電容多依靠簡(jiǎn)陋而帶有嚴(yán)重缺陷的方法。 一是進(jìn)行外觀檢查，看看電容周圍有沒有漏液或外殼鼓包開裂。但是，除電解液干涸的電容外，有 些漏液的電容還由于被本身及周圍元件所遮擋，不拆下來作檢查，往往成為漏網(wǎng)之魚。在筆者制作 電容ESR表之前，曾檢修一臺(tái)不能正常工作的美國(guó) Met

18、cal公司早期生產(chǎn)的 PS2V焊臺(tái)，通過外觀 檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何電解電容有異常，一時(shí)之間也找不出故障點(diǎn)。因缺少圖紙，后費(fèi)了很大精力跟蹤 電路故障，最后追蹤到焊咀檢測(cè)電路，懷疑為其供電的輔助電源出問題。最后才下決心拆下這組電 源中外觀完好的1000d F/50V 電解電容來檢查，發(fā)現(xiàn)其底部已有漏液痕跡， 測(cè)量確認(rèn)已失去大部分 容量，更換后即恢復(fù)正常。 二是將電容拆下來， 用指針表或電容表檢測(cè)其容量。 但是，’拆時(shí)容易裝回難”，裝回去還需預(yù)先清 理焊盤過孔，這種方法甚費(fèi)功夫。因此，檢修者多是在有理由懷疑的情況下才選擇采用這種方法。 縱然如此，仍是有可能漏掉出問題的電容，因?yàn)槟承╇娐肺恢脤?duì)電

19、容的品質(zhì)要求甚高，電容沒有失 容，不等于沒有問題。經(jīng)常維修的筆者好友就曾多次遇到這樣的事情，富有經(jīng)驗(yàn)的維修者會(huì)根據(jù)電 路情況采用代換法。 三是代換法，用好的電容換掉有疑問的電容。這種方法基本可解決前一種的遺漏問題，但這也是無 可奈何的做法。不僅拆裝麻煩，而且需要提前備有同樣規(guī)格的電容，很多時(shí)候檢修者并無這樣的準(zhǔn) 備。萬一預(yù)判有誤，同樣像前一種方法那樣白花了時(shí)間和精力。 有了電容ESR表，不用拆下電容，只要斷開電器的供電， 就可以直接用它進(jìn)行測(cè)量。 檢測(cè)電解電容， 變成了一件輕松的事情。筆者自從制作成功后，因?yàn)闆]有了拆裝電解電容這一麻煩事的困擾，凡是 稍有懷疑的，就立即將電路板上的所有電解電

20、容(還包括部分非電解電容)檢測(cè)一遍。雖然命中率 很低，但所費(fèi)時(shí)間也很少，不會(huì)構(gòu)成負(fù)擔(dān)，能給檢修成功提供保障。就上面所述 Metcal的PS2V 焊臺(tái)維修一事來說，若有電容 ESR表相助，完全可以在前期的檢查中找到故障元件，不用再花大半 天時(shí)間才解決問題。 作為電容ESR表的主要檢測(cè)對(duì)象， 電解電容出現(xiàn)在幾乎所有電子設(shè)備中。 尤其是電解電容在電源電 路中扮演著重要的角色，電源一旦出現(xiàn)問題，將給整個(gè)電路帶來全局性的影響，有時(shí)還會(huì)引發(fā)各種 各樣的奇怪癥狀，讓人難以捉摸。為此，熟悉維修的人員都會(huì)慢慢養(yǎng)成先從電源開始追蹤檢查電路 故障的習(xí)慣。換一個(gè)角度看，這樣的檢修順序確實(shí)符合電路運(yùn)作的規(guī)律。

21、如果使用電容 ESR表，那 么，在動(dòng)用萬用表之前，它就可以發(fā)揮前鋒的作用。 隨著時(shí)代的發(fā)展，采用開關(guān)電源供電的電子設(shè)備越來越多。與傳統(tǒng)的工頻電源相比，開關(guān)電源對(duì)電 容白ESR特性要求也更高。因此可以推斷，電容 ESR表的用武之地將越來越廣闊。 目前，二手電器市場(chǎng)交易日趨活躍。很多家庭，也包括電子愛好者，都已經(jīng)擁有一些較舊的電器。 部分人出于省錢、愛好、收藏或其他原因，還特意選購(gòu)二手電器。這些電器已使用多年，故障發(fā)生 率高，有時(shí)修好了舊故障，不久又出現(xiàn)新故障，需重新維修。主要原因是電器內(nèi)部的元器件老化， 電子設(shè)備中又以電解電容為甚。 為恢復(fù)生機(jī)，個(gè)別愛好者 寧可錯(cuò)殺三千，不可放過一

22、個(gè)”，干脆將 所有電解電容更換。這不失為一種比較穩(wěn)妥的辦法，但對(duì)于內(nèi)部電路復(fù)雜的設(shè)備來說，從元件準(zhǔn)備 到拆焊，都十分消耗精力，論效益并不是很合算。如果有電容 ESR表幫助檢測(cè)，就可以有的放矢地 進(jìn)行電解電容的更換了。 2測(cè)量原理及國(guó)外典型電路分析 嚴(yán)格地說，電容 ESR表應(yīng)測(cè)量真正的ESR。由于這種測(cè)量需要避開電容容抗、內(nèi)部的 ESL等因素 影響，難度比較高，電路將變得十分復(fù)雜。所以，電容 ESR表一般都是測(cè)量電容的交流阻抗，以此 作為電容的ESR值來讀取。 M M  RX 圖12指針式電容ESR表的測(cè)量原理3 一、指針式萬用表測(cè)量直流電阻的原理 在了解電容ESR

23、表工作原理之前，先看看我們平時(shí)經(jīng)常接觸到的指針萬用表是如何測(cè)量直流電阻 的。 普通萬用表的歐姆擋基本原理如圖 9所示。圖中，Rs為整個(gè)表的內(nèi)阻，Rx為被測(cè)電阻。M為表頭, 但這個(gè)表頭不是實(shí)物上的表頭，而是實(shí)物表頭經(jīng)過電流量程的擴(kuò)展而得到的。 V為直流電壓源，實(shí) 際為內(nèi)部的電池。 V、Rs、Rx構(gòu)成一個(gè)回路，根據(jù)歐姆定律得到公式： I=V/（Rs+Rx） 。I為測(cè)量回路中流過的電流， 也流過表頭。顯然，通過這個(gè)公式， I與Rx構(gòu)成了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。指針表的表頭實(shí)際為電流表， 表針直接指示的是電流 I ,所以，所有指針式萬用表都是遵從這一公式的規(guī)律繪制歐姆刻度的。 從公式推導(dǎo)得到：當(dāng)

24、Rx=o時(shí)，1=0 ;當(dāng)Rx=0時(shí)，I為最大值,Imax=V/Rs 。這與我們所知道的 歐姆刻度是一致的：表針滿幅的位置（即滿幅電流 Imax位置）標(biāo)為0Q,表針起始的位置（即電 流為0位置）標(biāo)為無窮大，歐姆刻度的大小方向與電流擋（以及電壓擋）刻度剛好相反。當(dāng) Rx=R s時(shí)，I為Imax的一半，因指針是指示電流，故指針指向刻度中央。所以，指針萬用表的歐姆刻 度中心值就是整個(gè)表（即測(cè)量電路）的內(nèi)阻值！這對(duì)于所有歐姆擋位都成立。 歐姆擋位不同時(shí)，表頭 M有不同的電流量程。這是利用高靈敏度的實(shí)物表頭，通過串、并電阻而擴(kuò) 展得到的。這一個(gè)電流量程的擴(kuò)展是線性的， 因此，可視為一項(xiàng)線性的傳遞。也

25、因?yàn)閿U(kuò)展是線性的， 所以能保證在不同歐姆擋位下，使用同一張刻度紙仍有十分接近的測(cè)量精度。實(shí)際的萬用表中，為 遷就電7電壓 V的變化，各個(gè)歐姆擋位表頭 M的滿幅電流值Imax是可以微調(diào)的，這由歐姆調(diào)零電 位器來實(shí)現(xiàn)。但歐姆調(diào)零電位器的改變，設(shè)計(jì)時(shí)已注意不能令整個(gè)表的內(nèi)阻產(chǎn)生變化，否則，讀數(shù) 就不準(zhǔn)。這是因?yàn)?，歐姆刻度是按固定的內(nèi)阻來繪制的。 二、電容ESR表的測(cè)量原理 根據(jù)指針萬用表測(cè)量直流電阻的方法，容易得到如圖 10所示的指針表頭用于測(cè)量電容 ESR的概念 電路。由于被測(cè)對(duì)象 Rx是交流阻抗，因此， V為交流電壓源，表頭 M為交流電流表， Rs為測(cè)量 電路的交流內(nèi)阻。測(cè)量回路中流過的

26、電流隨著 Rx的變化而變化，由這一電流驅(qū)動(dòng)交流表頭，以此 指示被測(cè)交流阻抗值。 三、電容ESR表的測(cè)量誤差 但是，常見的表頭都是直流表頭，即使能找到交流表頭，也因靈敏度過低而不能使用。因此，圖 1 。所示的測(cè)量電路需改為圖 11的形式。在測(cè)量電路中，通過電阻 R來檢測(cè)測(cè)量回路中的電流，以 電壓形式輸出一十匕時(shí)由電阻R完成了 I/V 變換。經(jīng)過AC/DC變換為直流電壓，加到直流表頭 M—— 同時(shí)由表頭M的內(nèi)阻完成V/I變換。這樣，測(cè)量回路中流過的電流 I被傳遞到了直流表頭 M,因 此，直流表頭 M可指示出Rx的測(cè)量值。 圖11中的AC/DC變換要靠二極管整流來實(shí)現(xiàn)。而我們?cè)O(shè)計(jì)

27、的 ESR表，因?yàn)橐邆湓诼窚y(cè)量功能， 不允許將測(cè)量電平設(shè)得過高而令二極管等半導(dǎo)體器件能夠?qū)?。這樣， AC/DC變換與在路測(cè)量這兩 者之間，就存在著矛盾。 為解決這一矛盾，實(shí)際的電容 ESR表需加入電壓放大電路，如圖 12所示。 在測(cè)量回路中，流過的電流 I仍遵從公式I=V/ (Rs+Rx),其中，Rs為測(cè)量電路的內(nèi)阻。對(duì)于這 一概念電路，Rs等于檢測(cè)電阻R。實(shí)際電路中，Rs等于檢測(cè)電阻 R加上測(cè)量信號(hào)源 V的內(nèi)阻。若 電流I被傳遞到表頭 M的整個(gè)過程是線性的，那么就可以按 I=V/ (Rs+Rx)的規(guī)律來繪制表頭刻 度。反過來，假如表頭有現(xiàn)成的歐姆刻度，只要讓 Rs與刻度中心值相等

28、，并且在測(cè)量回路出現(xiàn)最 大電流Imax (=V/Rs )時(shí)，讓表頭 M達(dá)到滿幅電流，那么這現(xiàn)成的歐姆刻度就可以利用起來。 這說明，我們可以直接使用指針萬用表來改裝電容 ESR表，不需重新繪制歐姆刻度，但須注意滿足 兩個(gè)條件： 一是要讓測(cè)量電路的內(nèi)阻與歐姆刻度的中心阻值一致。比如， MF500萬用表的刻度中心值為 10Q, 測(cè)量信號(hào)源的內(nèi)阻加上檢測(cè)電阻 R的總和也須為10QO 二是要將測(cè)得的電量(電流)線性地傳遞給表頭，并且還要使得測(cè)量回路有最大電流時(shí)，表頭指針 剛好指向滿幅位置一他就是線性傳遞的增益要合適。否則，就不能建立刻度指示值與所測(cè)值的一一 對(duì)應(yīng)關(guān)系。 更進(jìn)一步，如果要變通使

29、用原歐姆擋刻度，那么只要符合上述兩個(gè)條件，就可以像指針式萬用表那 樣，進(jìn)行倍率的變換。換言之，可以按自己的設(shè)計(jì)意愿來利用原歐姆擋刻度。比如， TR-360指針 萬用表的刻度中心值為 20Q,出于提高低阻顯示分辨率的要求， 想將此中心值改為 5QO那么，就要 將測(cè)量信號(hào)源的內(nèi)阻設(shè)為 5◎，讀取數(shù)據(jù)時(shí)乘以1/4 (即倍率乘以0.25 )即可。 有些指針式電容ESR表電路的電流傳遞過程并不是線性的。 比如，沒有利用運(yùn)放加入反饋來改善線 性，而是直接使用二極管作非線性整流，如圖 13和圖14所示的電路。由于二極管的電流與壓降的 關(guān)系呈指數(shù)特性，因此，即使測(cè)量回路一樣，其刻度也不同于指針式萬用表

30、，其低阻值區(qū)的分辨率 會(huì)更高。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于 DIY者來說，沒有現(xiàn)成的刻度可利用，需專門繪制，這又是一個(gè)缺 點(diǎn)。 繪制刻度，實(shí)際上是建立被測(cè)阻值與顯示值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于功能強(qiáng)大的 MCU來說，十分擅長(zhǎng) 于此項(xiàng)工作。因此，可以降低對(duì)電路線性的要求，測(cè)量回路也可以有更靈活的實(shí)現(xiàn)方式，使用 MCU 的數(shù)字式ESR表也就具備了簡(jiǎn)化電路的先天條件。如果不使用 MCU而是使用ICL7106 這類A/D 芯片來制作數(shù)字式 ESR表，則由于對(duì)輸入有線性要求，表頭顯示的又是電壓。因此，測(cè)量信號(hào)源 需做成具有固定輸出的交流恒流源 I ,以便建立V=IRx的線性關(guān)系；后面的電壓放大和 AC/DC

31、變 換電路，也要求有良好的線性。 電容ESR表本來要測(cè)的是 ESR,但實(shí)際測(cè)量的是電容的交流阻抗。這樣的設(shè)計(jì)，測(cè)量結(jié)果必然存在 慶 o 對(duì)于實(shí)際的電容，主要有電容容抗和 ESL這兩項(xiàng)因素影響 ESR表的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于電解電容來說， 容抗帶來的影響占主導(dǎo)地位。如果測(cè)量頻率足夠高、電容的容量又不過小，那么，容抗給測(cè)量結(jié)果 帶來的不良影響就小。電容的 ESL本身較小，為nH級(jí)別，只要測(cè)量頻率不是太高、 ESR本身不是 太小，其影響通?？梢院雎?。下面的簡(jiǎn)單分析，證明了這一點(diǎn)。 R2 + ( XC —XL )2 RX= 從圖1所示的電容等效模型可得到，電容的交流阻抗幅值為 式中，R為

32、電容的ESR, Xc為電容的理想容抗， Xc=1/ (2TtfC) , XL為ESL的感抗，XL=2兀fL。 以22 口 普通鋁電解電容為例，一個(gè)典型的 ESR值為20Q, ESL值為20nH。當(dāng)測(cè)量頻率f為100 kHz時(shí)，則有 Xc=0.072 Q , XL=0.014 Q 。代入上面公式有 202 +(0.072 —0.014)2 RX= 計(jì)得Rx~ 20.00008 。這說明，這只22 0電容在100kHz時(shí)的交流阻抗與 ESR相差極其微小，這 樣誤差完全可以忽略不計(jì)。 如果電容容量降為1^F,其余不變，類似地可計(jì)得 Rx=19.94 。測(cè)量誤差已較為可觀，為 0.3%。 如

33、果測(cè)量頻率降低，這個(gè)誤差就增大，比如， 50kHz時(shí)誤差為1.2% , 20kHz時(shí)為7.5%。因此， 一般的電容ESR表都標(biāo)示適用范圍為大于 1 測(cè)量頻率都設(shè)定得較高。 由上述分析可見，電容 ESR表雖是通過測(cè)量交流阻抗來給出 ESR值，精度受到一定的限制，但就 要求不高的檢測(cè)電容好壞這一主要用途而言，這種做法無可非議。 四、指針式電容 ESR表的國(guó)外典型電路分析 下面三款指針式電容 ESR表電路，是筆者從互聯(lián)網(wǎng)挑選出來，原先已經(jīng)過實(shí)際制作的國(guó)外電路。它 們各有特色，具備一定的代表性，其中第 3款曾刊登在某外國(guó)電子制作雜志上。 IC2 78L05 R1 100k R3

34、100k -a- 測(cè)試端子 R2 100k C2 Cl 1n 1 IC1A TL062 3 2 —IZZJ— R4 8.2k TE 400 匝 20 匝 T1 R7 1k -I—? . R5 10 C3 R6 10 1電 T1 磁芯為：Amidon EA-77-188 R10 100k R9 100k C5 +L 10p -T +LC8 T的 8 6 4 IC1B TL062 CZI— R8 39k VO VI GND C6 100n VD2 1N4148 II t X VD1 LC9 T10U U

35、1 堂7?15V R11 x 100k C7 牙」 圖13國(guó)外網(wǎng)友自制的指針式 ESR表電路一 1 .簡(jiǎn)潔明快的電容ESR表 如圖13所示，核心元件為 TL062低功耗雙運(yùn)放IC1和變壓器T1 ,以圖靈敏度的50 dA指針表頭 作指示。穩(wěn)壓集成塊IC2為電路提供穩(wěn)定的 5V電壓。運(yùn)放IC1A構(gòu)成單電源方式的50kHz方波振 蕩器，經(jīng)過20:1的變壓器耦合，作為測(cè)量信號(hào)源，輸出電平約 200mV。由于引入變壓器，減輕了 振蕩器IC1A的負(fù)載效應(yīng)，避免造成測(cè)量信號(hào)幅值和頻率的變動(dòng)。測(cè)量信號(hào)由 R6檢出，經(jīng)過C3 隔直電容后，送往反相放大器 IC1B作39倍放大。放大后的電壓由二

36、極管 VD1、VD2整流，經(jīng)過 微調(diào)電阻R11驅(qū)動(dòng)表頭M1。R11用作歐姆調(diào)零。 2 .使用一塊通用邏輯IC的電容ESR表 如圖14所示。電路使用內(nèi)含6個(gè)史密特非門的 CMOS邏輯集成塊74HC14 ,其中一個(gè)非門（IC1D） 構(gòu)成100kHz方波振蕩器。為提高驅(qū)動(dòng)能力，將其余 5個(gè)非門并聯(lián)使用，每個(gè)非門輸出端都接有 R C低通濾波器，以濾除測(cè)量信號(hào)的高次諧波成分。測(cè)量接口設(shè)有 DC電壓保護(hù)，避免因被測(cè)電容帶 電而造成ESR表意外損壞。其中C5起隔斷直流的作用，二極管VD5、VD6起雙向的電壓箝位作用， 防止過大的DC電壓進(jìn)入表內(nèi)。測(cè)量信號(hào)由 R8檢出，三極管 VT1作10.5 倍放

37、大。二極管 VD1至 VD4接成橋式整流，將交流信號(hào)變換為直流，即 AC/DC變換，以便驅(qū)動(dòng)指針表頭。此電路的供電 電壓為5V。74HC14這類CMOS通用邏輯IC的靜態(tài)電流都很小，為 融級(jí)。但此表工作時(shí)，R7作 為前端電路的負(fù)載，有持續(xù)的交流電流流過，再加上三極管部分的耗電，估算整機(jī)的靜態(tài)電流為 1 275mA。 緩沖器低通濾波器兩端子用于接被測(cè)電容5陽(yáng) R1 1.0k -HZZH- R2 3 +5V C1L 。。1廠一 14 o IC1D 了 g 74IHC14N 74HC14可工作于 2~6V的電源電壓 11 680 74HC14N /1C1F 680

38、 74HC14N R4 9 680 74HC14N 10 R5 ——CD 680 TP1 Q TP2 Q R1B 1M/0 5W ―l=l— VD6 1N4004 .250mUpR,] 74HC14N R6 680 + 74HC14N C4 測(cè)試端子開路時(shí),此處為O.OmVpp, 短路時(shí)則為ISOmVpp 交流放大器增益約為1。5倍 +5V +5V . 1 22kL C2 Fi 0.01p RWn 25k U VT1 2N2222 “R12 U100 03 VI 0.01^ VD3 1N4148 VD4 1N4148

39、 TP5 TP6 C5 i 0.47p. 40DV VD5 1N4004 I R8 I 10 工 0.047g 測(cè)試接口及保護(hù)電路 整流器 R17 10k —CZ1— 3 I p Qi T VD1 1N4148 VD2 1N4148 G6 此兩端經(jīng)過一只 25K可調(diào)電阻接 5011A的表頭 TP4 ? 表頭的電流滿幅刻度位置為oc,刻度中心位置狗為ion 圖14國(guó)外網(wǎng)友自制的指針式 ESR表電路二 3 .帶短路檢測(cè)功能的電容 ESR表 如圖15所示，由TL084四運(yùn)放IC構(gòu)成了 ESR表電路的主體。IC1A用于驅(qū)動(dòng)虛地，將

40、單電源 9V 轉(zhuǎn)換為雙電源4.5V,這樣，可令其余電路得以簡(jiǎn)化。 IC1B構(gòu)成100kHz方波振蕩器，三極管 VT 1將測(cè)量信號(hào)以電流的形式送往電阻 R8至R11組成的電橋。此處使用電阻式電橋作為測(cè)量電路， 可以檢測(cè)出被測(cè)電容兩端是否存在短路現(xiàn)象。如果有此現(xiàn)象，則 R10被短路，電橋失去平衡。由于 電橋有直流電流流過，運(yùn)放 IC1C的正輸入端直流電位將高于負(fù)輸入端，因此輸出端的直流電位大 幅升高，經(jīng)電阻 R16驅(qū)動(dòng)三極管VT2導(dǎo)通，短路指示燈 LED1因此被點(diǎn)亮。R16與C4構(gòu)成RC濾 波電路，用于濾除正常測(cè)量時(shí)的交流信號(hào)，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的短路指示。 TLOfrl 4 □ 11

41、-4 5V 單電遮轉(zhuǎn) 雙申簫 100Hz方調(diào) 振蒸器 R310k L. —C=1 1 TL084 14 IC1B -□— R4 R5l0k 1.5k IC1A 4,7k 比較，粒大電路 1k RB 1k R9 北 R7 27k RIO 22115) VT1 BC557 R12 1K VD1 . 1M4007, -BH— -M— VD2 1N4007 J6測(cè)狀端子 CAP1 CAPS R15 27k (47k) TL0&4 IC1C R14 R11 %" 22(15) R17 6SQ LED1 紅色 R16 VT2 BC5

42、47 Y TL0B4 RIH 47k C5 Tl- 口.in 為提高JS益 可選裝電阻整流器 VD4 1N4148 06 i 1產(chǎn) > VD3 W 4 1N4148 圖15國(guó)外網(wǎng)友自制的指針式 ESR表電路三 IC1C構(gòu)成理論增益為 27倍（47倍）的差動(dòng)式比較/放大器，其輸出信號(hào)送至 IC1D與VD3構(gòu)成 的理想二極管電路，以獲得較佳的 AC/DC變換效果。輸出的 DC電壓送到表頭，用作歐姆調(diào)零的微 調(diào)電阻R19與表頭構(gòu)成電壓表。此處加入硅二極管 VD4,利用其壓降與電流的非線性關(guān)系，展寬了 表頭刻度的低阻區(qū)，測(cè)量低阻的分辨率從而得以提高。 也因此，其表頭刻度

43、不同于普通指針萬用表。 IC1D的輸入經(jīng)C5隔直，去除了直流成分，防止被測(cè)電容殘存的直流電壓干擾測(cè)量結(jié)果，并起到保 護(hù)表頭的作用。 3設(shè)計(jì)構(gòu)思及最終完成的電路 一、方案選擇 在設(shè)計(jì)制作之前，最重要的決定是動(dòng)手的方向。幾經(jīng)考慮和權(quán)衡，筆者決定采用指針式 ESR表的方 案。原因有三： 一是指針式ESR表的測(cè)量更便捷。指針表長(zhǎng)于定性測(cè)量，數(shù)字表長(zhǎng)于定量測(cè)量，這已是很多 電子愛 好者的共識(shí)。如果不需要確切的測(cè)量數(shù)值，使用指針表更為方便。當(dāng)我們使用 ESR表測(cè)量一只電容 時(shí)，這只電容‘正確”的ESR值往往是未知的，需要做的工作是，判斷此值是否落在一個(gè)合理的區(qū)間 內(nèi)。因?yàn)橛锌潭鹊妮o助，指針

44、表的指示更直觀。根據(jù)筆者多年既使用指針式萬用表，又使用數(shù)字式 萬用表的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于這樣的模糊判斷，指針表明顯更快、更省事（前提是你需習(xí)慣指針表的使用）。 只要看一眼指針擺動(dòng)的大致情況，即可作出判別，不用像使用數(shù)字表那樣，需在腦海中進(jìn)行數(shù)字的 讀入與比較。 二是指針式ESR表的量程更寬。一個(gè)擋位就可以覆蓋從 0~8的范圍。只要適當(dāng)安排好高分辨率指示 區(qū)域，就可以滿足我們檢測(cè)電解電容（以及部分非電解電容）的需要。若做成數(shù)字表形式，一個(gè)擋 位就只能覆蓋某一個(gè)范圍。比如，采用萬用表專用 A/D芯片ICL7106 。因其顯示數(shù)值最大為 199 9,若安排最小顯示 0.01 Q,其最大顯示將變?yōu)?1

45、9.99 Q ,在某些場(chǎng)合下使用會(huì)受到限制，這樣就 不能用于輔助檢測(cè)那些容量不大的非電解電容。 三是指針式ESR表的制作難度更低。對(duì)于數(shù)字式 ESR表來說，適用的顯示屏難以購(gòu)買得到，可行 的方法是利用現(xiàn)成的數(shù)字萬用表來改制。但數(shù)字萬用表體積小，內(nèi)部空間狹窄，元件不易安排，還 需對(duì)準(zhǔn)顯示屏原來安裝的位置，給 PCB的制作帶來較大的困又to對(duì)于指針式 ESR表來說，則沒有 這樣的限制。因此，在國(guó)外電子愛好者的 DIY中，數(shù)字式ESR表多是以套件形式供應(yīng)的，個(gè)人獨(dú) 立制作大部分采用指針式方案。 此外，另一個(gè)促使筆者下決心選定指針表制作方案的重要因素是，剛好手頭有一塊閑置多年的 MF5

46、00指針式萬用表。這一型號(hào)的指針表曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)風(fēng)靡，成為一代經(jīng)典。筆者這塊 MF500表是現(xiàn)代 版本，受生產(chǎn)成本限制，這類表難免有大家所稱的 ‘縮水”現(xiàn)象，用料、制作相對(duì)來說要差于以前的 老表。例如，采用了 PCB開關(guān)，不再使用可靠性更高的波段開關(guān)； AC/DC校準(zhǔn)用的原繞線微調(diào)電 阻，改為小型非密封式碳膜微調(diào)電阻；不再采用搭柵工藝等。因?yàn)槠滟|(zhì)量不理想，加上筆者不習(xí)慣 其雙開關(guān)的切換方式，所以閑置了下來。但筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電容 ESR表的制作來說，即使這種被人 詬病的現(xiàn)代版本，原型指針表大部分的優(yōu)秀特性仍得以保留：一是表盤刻度寬，分辨率高。二是刻 度中心阻值較?。?0Q）,有利于顯示小于1

47、 ◎的測(cè)量值。三是外殼耐磨耐看，歷久彌新。四是設(shè)有 電池倉(cāng)，拆換電池方便。五是整機(jī)密封性好，隔絕了外界的粉塵和潮氣，增強(qiáng)可靠性。當(dāng)然，原有 的方面也保留了一些，包括笨重和體積偏大。但在家中使用，這些問題并不突出。原來的雙開關(guān)切 換而造成使用不便的問題，卻是不再存在。 后來的制作證實(shí)，對(duì)筆者這樣的電子愛好者來說，采用現(xiàn)成的指針表來改裝，是一項(xiàng)明智之舉。一 方面，可以大大簡(jiǎn)化制作。對(duì)于通常的制作，機(jī)殼、結(jié)構(gòu)件等問題常常令人頭疼，在備料環(huán)節(jié)以及 制作時(shí)間中所占的比例經(jīng)常逾 50%?，F(xiàn)在，機(jī)殼問題順利得以解決，無需專門去繪制刻度，也不需 為如何購(gòu)買和怎樣安排表頭、表筆插座以及調(diào)零旋鈕等而煩惱，因?yàn)檫@

48、一切都是現(xiàn)成的。只要完成 了電路板的裝制調(diào)試，就已完成了整機(jī)工作量的 90%。另一方面，整機(jī)外觀的完成度很高。對(duì)于一 件幾經(jīng)辛苦才制作出來的東西，如果沒有良好的外觀，制作者總是難免會(huì)有心頭之憾。采用改裝方 法后，制作出來的電容 ESR表外觀上與原表相差無幾，幾乎沒有改動(dòng)，很是像模像樣。雖然缺乏個(gè) 性和創(chuàng)意，但完成度卻得到了充分的保證。 二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 在設(shè)計(jì)之前，筆者認(rèn)真閱讀了國(guó)外電子愛好者詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)制作的網(wǎng)頁(yè)和文章， 基本掌握ESR表設(shè) 計(jì)的有關(guān)要求和電路特點(diǎn)。隨著了解的深入，筆者發(fā)現(xiàn)很多國(guó)外 DIY作品或多或少存在一些明顯 的缺點(diǎn)，并不合乎筆者的心愿。于是，借鑒他們一些好的方面，

49、再按自己的要求來重新設(shè)計(jì)制作。 筆者自訂的要求是：一是在設(shè)計(jì)階段，提前把指針式 ESR表的刻度問題解決。若無此項(xiàng)針對(duì)性的舉 措，就需在制作階段付出這樣的勞動(dòng)：一次測(cè)量一個(gè)用于校準(zhǔn)的電阻，標(biāo)出此阻值的刻度位置，經(jīng) 多次反復(fù)后，才能一點(diǎn)一點(diǎn)地完成所有刻度的標(biāo)識(shí)，然后采用手工描畫或電腦制圖打印的方法來制 作刻度紙，再拆解表頭進(jìn)行粘貼。二是以保證性能為前提，力求電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行。三是所用元 器件要具有常見、通用、低價(jià)的特點(diǎn)，電路可以變通運(yùn)用于其他型號(hào)指針萬用表的改裝。這樣，既 方便其他愛好者參照仿制、分享成果，又可以在電容ESR表出現(xiàn)故障后，免除找尋特殊元器件之苦。 四是有關(guān)性能參數(shù)盡量不作妥

50、協(xié)。既要充分滿足使用要求，又力求優(yōu)于一般的國(guó)外同類 DIY作品。 三、參數(shù)目標(biāo) 有關(guān)性能參數(shù)方面，筆者的考慮如下： 1 .工作頻率為100kHz正弦波 一是減少電容容抗所帶來的影響。 電容ESR表實(shí)為簡(jiǎn)易式的設(shè)計(jì)，它實(shí)際測(cè)量的對(duì)象是電容的交流 阻抗，也就是說，除 ESR外，還包含電容容抗以及電感的成分。 100kHz的頻率較高，對(duì)于小容量 電解電容（以及一些容量相對(duì)較大的非電解電容）的檢測(cè)更有利。 二是向中高檔LCR電橋靠攏。低木LCR電橋的最高測(cè)試頻率多為 1kHz ,好一些的為10kHz，只有 中高檔的LCR電橋才具備100kHz的測(cè)量頻率，但售價(jià)已翻倍。 三是100kHz已成

51、為電容有關(guān)性能測(cè)試的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以這個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，方便進(jìn)行電容數(shù)據(jù) 的對(duì)比參照。國(guó)外愛好者制作的電容 ESR表大部分采用方波進(jìn)行測(cè)試，就沒有了這個(gè)好處。這是因 為方波的諧波成分十分豐富，即使其頻率同為 100kHz ,實(shí)際的測(cè)試頻點(diǎn)是按諧波結(jié)構(gòu)散開的。 2 .測(cè)試電平定為 120mVpp左右 為了保證能用于在路測(cè)量，必須讓測(cè)試信號(hào)電平低于電路中的半導(dǎo)體器件導(dǎo)通閥值。 三極管和二極 宜的PN結(jié)導(dǎo)通電壓一般為 0.6?0.7V，但開始導(dǎo)通的電壓卻是 0.3V左右，如果電路中有錯(cuò)管存 在，則這個(gè)開始導(dǎo)通的電壓會(huì)低至約 0.1V 。 120mVpp的測(cè)試電平，在正向或負(fù)向上所加的電壓最

52、大僅為60mV ,可以確保 在路測(cè)量”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如果定為更低的電平， 則外界噪聲干擾給測(cè)量結(jié) 果帶來的影響增大，交流放大電路的增益值也需提高，設(shè)計(jì)的困難也隨之加大。 3 .耗電要低，并設(shè)自動(dòng)關(guān)機(jī)功能 使用9V層疊電池供電的靜態(tài)電流要小于 10mA,并盡可能地減少。10mA這個(gè)數(shù)值，是市售手持電 感電容表的其中一個(gè)典型靜態(tài)電流值， 所以筆者把它作為一個(gè)參照。 9V層疊電池自放電小， 對(duì)于很 多手持儀表來說，如果平時(shí)使用率不高、電池質(zhì)量又過關(guān)的話，多年后仍可繼續(xù)使用。因此，盡量 控制好ESR表電路的靜態(tài)功耗，是有實(shí)用意義的。另外，新一代手持儀表已普遍設(shè)有自動(dòng)關(guān)機(jī)功能。 一些老式手持?jǐn)?shù)字儀

53、表，因缺少這個(gè)功能，使用者如果事后忘記關(guān)機(jī)，若干天后發(fā)現(xiàn)時(shí)，電池已用 盡，假如家中又沒有備用電池，還需外出一趟購(gòu)買。這樣的事情，相信不少人都曾遇到。不知何故 （或許是追求簡(jiǎn)單吧），我看到國(guó)外愛好者自制的 ESR表都缺此功能。但既然是重新設(shè)計(jì)電路， 就不應(yīng)把這一缺陷帶進(jìn)來，所以自動(dòng)關(guān)機(jī)功能必不可少。為此，筆者在設(shè)計(jì)階段摒棄了在電路中設(shè) 置檢測(cè)電容兩端短路的功能，原因是它會(huì)造成整機(jī)靜態(tài)功耗過大。 ESR表的損壞 4 .具備400V的DC輸入電壓保護(hù)功能，以防止帶電的電容造成 有些電路場(chǎng)合下電容的工作電壓很高，比如，開關(guān) 幽的220V市電側(cè)以及膽機(jī)電路，如果使用者 一時(shí)忘記在測(cè)量前先讓電容放

54、電，可能就會(huì)出現(xiàn)問題?！狤SR表設(shè)置這一功能，可防止這種意外的發(fā) 生。 5 .盡可能有較好的精度 對(duì)于指針式萬用表來說，給出的歐姆擋百分比精度是以指針偏轉(zhuǎn)的弧長(zhǎng)來計(jì)算的。有些愛好者認(rèn)為 一塊歐姆擋精度為 2.5%的指針萬用表，測(cè)量 100a的正、負(fù)誤差不應(yīng)超過 2.5 否則就認(rèn)為不達(dá) 標(biāo)，這實(shí)在是一個(gè)誤解。筆者初訂 ESR表的精度目標(biāo)是不劣于 10%,為此，在調(diào)試制作過程中筆者 注意盡量控制線性，但因缺少檢驗(yàn)的儀表和器件，只能得到一個(gè)大概的估計(jì)值，此是后話。 四、整體設(shè)計(jì)及最終完成的電路 在設(shè)計(jì)之初，筆者從元件獲得、 PCB排布、使用器件數(shù)量等方面綜合考慮，決定優(yōu)先選用雙運(yùn)放

55、I Co最終電路的主體部分由兩塊雙運(yùn)放集成電路 TL062和NE5532負(fù)責(zé)，完成了除自動(dòng)關(guān)機(jī)之外的 所有任務(wù)。 筆者設(shè)計(jì)的指針式電容 ESR表原理框圖如圖16所示，制作成功后的整機(jī)電路圖如圖 17所示。 6 .100kHz 正弦波振蕩器 在圖17中，運(yùn)放IC1A與周圍元件構(gòu)成文氏（Wien ,也有人譯作 維恩”）電橋式正弦波振蕩器。 這種文氏電橋振蕩電路，具備產(chǎn)生低失真正弦波的潛能，如果在幅度反饋控制上進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)，可 獲彳# 0.000X%量級(jí)的超低失真性能。在這里，由于對(duì)正弦波的純凈度要求并不高，因此，使用了最 簡(jiǎn)單的電路形式，失真也就較大，為 X%勺量級(jí)。即使這樣，也明顯優(yōu)于

56、方波振蕩器。 R1、C1和R2、C2構(gòu)成所稱的文氏電橋。 R1、C1是相位滯后網(wǎng)絡(luò)，R2、C2是一個(gè)相位超前網(wǎng)絡(luò)。 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)疊加，還產(chǎn)生帶通濾波選頻的作用。對(duì)于 IC1A的同相輸入端，特定頻點(diǎn)的信號(hào)從 IC1A 的輸出端返回至此時(shí)，剛好與原信號(hào)同相，即是產(chǎn)生正反饋。產(chǎn)生的振蕩要持續(xù)起來，需符合兩個(gè) 條件。除了要有正反饋外，還要求環(huán)路增益等于 1。由于文氏電橋有 3:1的衰減，所以要求電路有 3倍放大的增益。為此，將運(yùn)放負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的 R4、R3和VR1取成略高于3倍放大量的值，并通過 VR1調(diào)節(jié)來確保電路起振。 VD1、VD2與負(fù)反饋電阻R4并聯(lián)，起到穩(wěn)定振幅的作用。 由于信號(hào)在運(yùn)放內(nèi)

57、部產(chǎn)生相移，按照此公式計(jì)得的結(jié)果總是與實(shí)際有出入。圖 17中的文氏電橋阻 容取值是經(jīng)實(shí)際調(diào)試得到的。 100kHz 正弦波 振蕩器 衰減器 測(cè)試 驅(qū)動(dòng)器 Bh + Vcc ~Vgc M 圖16指針式電容ESR表設(shè)計(jì)框圖 2 .衰減器與測(cè)試驅(qū)動(dòng)器 為獲得適合于在路測(cè)量的電平，在電路中設(shè)置了由 R5、R6組成的11:1電壓衰減器，將1.3Vpp 的振蕩器輸出電壓降為 120mVpp ,然后直接送往IC2A。IC2A相當(dāng)于設(shè)計(jì)框圖中的測(cè)試驅(qū)動(dòng)器， 電路形式為同相緩沖器。其增益等于 1 ,因而獲得最深的反饋，令輸出阻抗最小化。 R7是用于防止 運(yùn)放出現(xiàn)異常的自激現(xiàn)象，

58、已被納入運(yùn)放的負(fù)反饋環(huán)路內(nèi)。 3 .測(cè)試接口及保護(hù)電路 保護(hù)電路基本與圖14所示的國(guó)外電路一致。圖 17中，用于提供直流保護(hù)（隔直）的電容 C3需要 承受高壓，所以取耐壓較高的 400V規(guī)格。這只電容串在測(cè)量回路中，對(duì)其容抗有要求，容量越大 就越有利。但受體積限制，因此選用 ESR甚低、容量相對(duì)較大的 1 聚丙烯電容（WIMA的MKP1 0） 。 R8為C3的放電電阻。若沒有 R8,當(dāng)ESR表測(cè)量帶有高壓電的電容后， C3上的電荷可能會(huì) 造成對(duì)使用者的電擊。 VD3、VD4的作用在前面已提及，是起限制直流電壓的作用，防止誤測(cè)未放 電電容時(shí)造成ESR表的意外損壞。 測(cè)試驅(qū)動(dòng)器作為測(cè)

59、量信號(hào)源，與被測(cè)電容、 C3、檢測(cè)電阻R9形成一個(gè)測(cè)量回路。通過前面的原理 介紹，我們知道，測(cè)量回路的內(nèi)阻應(yīng)等于表頭刻度中心值（ MF500為10Q） o這里因驅(qū)動(dòng)器的輸出 阻抗較低，C3在100kHz時(shí)的交流阻抗也較小，故暫時(shí)將 R9取值為10◎。筆者本來打算在制作完 成后，再根據(jù)驗(yàn)核情況，通過加并一只電阻將 R9的值調(diào)小一些。后來檢查發(fā)現(xiàn)， 10 ◎的R9已基本 滿足要求。 4 .表頭驅(qū)動(dòng)電路 圖16所示的設(shè)計(jì)框圖中的電壓放大、 AC/DC變換和V/I變換，是由圖17所示的IC2B及其周邊 元件完成。圖17所示的虛線框內(nèi)的表頭電路本身可做 V/I變換工作，IC2B則擔(dān)負(fù)電壓放

60、大的責(zé) 任。此外，通過IC2B的負(fù)反饋，為二極管 VD5和VD6的整流（即AC/DC變換）提供改善線性的 作用。RP2用于歐姆調(diào)零的粗調(diào)，其阻值的大小決定了電壓放大的增益。虛線框?qū)崬?MF500萬用 表歐姆擋的表頭電路， 由原表搬移過來，其中RPm為歐姆調(diào)零電位器， 設(shè)在面板上。為提高安全性， 表頭電路采用不同于圖 15理想二極管電路中的接法。表頭電路兩端接在 VD5、VD6之間，懸浮于 地線，與地線的直流通路由 C4阻斷。若采用圖15所示的接法，則表頭驅(qū)動(dòng)電路中有某個(gè)元件損 壞，或者制作過程中出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤, 受損甚至燒壞。由于工作頻率高達(dá) 好的運(yùn)放，壓降小的錯(cuò)二極管。 得主 慶

61、 O 否則, IC2B輸出端往往會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的直流偏移電壓，令昂貴的表頭 100kHz ,這里對(duì)半導(dǎo)體器件特性的要求較高，需使用頻響特性 線性度將大大受損，直接使用萬用表歐姆刻度時(shí)會(huì)帶來很大 C1 220p R2 C2 -a IF- 4.7k 220p Q +VcE C, ；—TI 1 XI ? X2 丫 TEST- f C3 TEST+ ——CD- RS + ^cc IC1A =flR\ 工 Uik 用k % TL062 R4 3 9k >-H< VD1 1N4148 -M— VD2 1N4148 電池士 9V T ON t —

62、—O D OFF 旭13 Uio R5 Wk 嚷Q 彳 IC2A R7 47 牛1卜 400V IC2B NE5632 0NE5532 -Vcc VD3 1N4001 ;——— VD41N4001 XVD5 v VD6 Ge - Ge Uio -Vcc C4 一?！谷? HR10 U22 RP2 200 R11 1.2k R12 1 2k [LE唱紅色 + C5 *100r 25V R16 220 VT2 2SC2240 ―o ,Ce 133p/16V -O-l/cc VT1 VN46 IC1B TL062

63、 R18 1M O 7g O —<1 ri7n 1M U d_C7 ■- 33pJ1flV tL C8 33Hl6" PRm 1.2k MF500表頭電路, 內(nèi)阻約2,5k _2k _ M J.8k_ 360 圖17指針式電容 ESR表整機(jī)電路圖 該電路以IC1B為核心, B的同相輸入端。IC1B 電位。這樣，就實(shí)現(xiàn)了由 5 .單電源轉(zhuǎn)雙電源電路 常被稱為虛地驅(qū)動(dòng)電路。 R17和R18從單電源中取得中點(diǎn)電壓，送往 IC1 接成緩沖器形式，利用其很深的負(fù)反饋， 使得輸出端緊緊跟隨同相輸入端的 +9V單電源到4.5V雙電源的變換。所用

64、的 TL062為JFET輸入型，輸 入阻抗很高，故允許 R17和R18取較高的值，這樣可減輕一些電源消耗。 TL062 在 100kHz 時(shí)表 讀者看完后面介紹的測(cè)試驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)情況，可能會(huì)有疑問：接成緩沖器的 現(xiàn)不佳，能否保證工作頻率高達(dá) 100kHz的整個(gè)ESR表的電源需求？這種擔(dān)心不無道理。假如缺 少C7、C8這兩只電源輸出濾波電容，確實(shí)是成立的。但有了這兩只電容之后，情況就變得大不相 因?yàn)楦哳l段的電源要求， 是由C 同。這時(shí)，只要TL062能保證低頻時(shí)有足夠的輸出電流供應(yīng)即可。 7、C8承擔(dān)的。這其實(shí)與很多電子設(shè)備的常見情形一樣，包括線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源在內(nèi)的絕大 部分

65、穩(wěn)壓電源，僅能保證音頻頻率以下的范圍具有足夠低的輸出阻抗，超出此范圍還是要依靠電源 輸出端的濾波電容。此電路的工作原理實(shí)質(zhì)上等同于線性穩(wěn)壓電源，其中， IC1B肩負(fù)了后者的誤 差放大器和調(diào)整管的任務(wù)。 6 .自動(dòng)關(guān)機(jī)電路 VT1是關(guān)機(jī)控制的關(guān)鍵器件，這里使用 MOSFET,利用其閥值電壓高（約為 3V）、輸入阻抗高的特 點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)。 R16是VT1的抑振電阻，防止 G極引線過長(zhǎng)時(shí) VT1自身產(chǎn)生振蕩。C5 為定時(shí)電容，R14為定時(shí)電阻，從開啟電源到自動(dòng)關(guān)機(jī)的定時(shí)時(shí)間大致為 30分鐘。三極管 VT2用 于改善關(guān)機(jī)末段的特性， R15為其提供限流作用。LED用于電源指示，

66、串在電源線上，這與一般的 安排不同，好處是能減小電源消耗，因?yàn)?LED需通以1~7mA的電流才能正常發(fā)光。 此電路的延時(shí)（定時(shí)）關(guān)機(jī)工作過程如下：當(dāng)合上電源開關(guān) S （即置于ON位置）后，+9V電池經(jīng) 過R14對(duì)C5進(jìn)行充電。由于電容兩端的電壓不能突變， VT1的G極處于高電位，因此 VT1導(dǎo)通， +9V電池經(jīng)過LED對(duì)整機(jī)進(jìn)彳T供電。 VT1的通態(tài)電阻很小，遠(yuǎn)小于 1Q, VT1導(dǎo)通后D、S極間的 壓降可以忽略。C5充電后，C5兩端電壓隨著時(shí)間的推移而逐漸上升， VT1的G極電壓隨之降低。 當(dāng)?shù)陀赩T1的閥值電壓后，VT1開始進(jìn)入截止，D、S極間的壓降上升。一旦這個(gè)壓降高于 VT2的 開啟電壓，VT2開始導(dǎo)通，因VT2與定時(shí)電阻并聯(lián)，所以加快了 C5的充電進(jìn)程，促使 G極電壓進(jìn) 一步下降，這樣就形成了一個(gè)正反饋過程，使得 VT1迅速關(guān)斷，從而完成了關(guān)機(jī)動(dòng)作。 整機(jī)不開機(jī)時(shí)，電源開關(guān) S置于OFF位置。由電阻R13給C5迅速放電，以準(zhǔn)備下一次的應(yīng)用。 R 13為10◎的小電阻，之所以沒有用導(dǎo)線代替， 是為了防止放電電流過大而引發(fā) S觸點(diǎn)間